1、太陽(yáng)能熱利用基礎(chǔ) （一）,講師： 朱敦智,太陽(yáng)能利用的重要性,能源消費(fèi)伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展而持續(xù)快速增長(zhǎng)，2004 2010 年中國(guó)能源消費(fèi)總量增長(zhǎng)速度大于2020 年GDP 翻 兩番、能源翻一番的規(guī)劃速度，這對(duì)我國(guó)能源發(fā)展造成 很大壓力，加快可再生能源發(fā)展勢(shì)在必行。 中國(guó)能源消費(fèi)總量（億噸標(biāo)準(zhǔn)煤）,講師： 朱敦智,環(huán)境形勢(shì)十分嚴(yán)峻,中國(guó)是世界SO2 排放最嚴(yán)重的國(guó)家，因而也是酸雨污染最嚴(yán)重的國(guó)家，下表給出了中國(guó)燃煤發(fā)電所排放的SO2 的數(shù)量。2007 年，除中國(guó)SO2 排放持續(xù)為世界第一外，中國(guó)CO2 排放也超過美國(guó)，成為世界第一 (CO2排放美國(guó)59.1 億噸，我國(guó)60.2 億噸。這給中國(guó)節(jié)能減

2、排、改善能源結(jié)構(gòu)以及能源可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大壓力。,講師： 朱敦智,太陽(yáng)能在未來能源中的地位,講師： 朱敦智,世界可再生能源能源結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)來源： IEA-SHC，Solar Heat Worldwide 2011,講師： 朱敦智,太陽(yáng)能利用的意義,利用過程中沒有溫室氣體CO2的排放。 與煤相比，使用時(shí)可以減少SO2、NOX和煙塵等污染物排放，有利于環(huán)境質(zhì)量改善。 替代化石燃料，可節(jié)約資源。 實(shí)現(xiàn)能源使用的本地化，減少燃料供應(yīng)的交通負(fù)擔(dān)及相應(yīng)的大氣污染。,講師： 朱敦智,分類 太陽(yáng)輻照 MJ/ /(m2a) 日照小時(shí)(h/a) 6700 32003300 54006700 30003200 42

3、005400 14003000 4200 10001400,太陽(yáng)能熱利用,一、太陽(yáng)能供熱制冷（400 ）,講師： 朱敦智,太陽(yáng)能基礎(chǔ)知識(shí),講師： 朱敦智,太陽(yáng)能利用歷史 西漢，我們祖先已掌握“陽(yáng)燧取火” 西周，有文字記載“削冰令圓，舉以向日，以艾承其影，則生火” 公元212年，希臘阿基米德以多面鏡聚光，燒毀羅馬艦隊(duì) 15世紀(jì)，阿拉伯人開展太陽(yáng)能蒸餾，實(shí)現(xiàn)海水淡化 1615年法國(guó)工程師所羅門德考克斯在世界上發(fā)明第一臺(tái)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng) 1767年，瑞士科學(xué)家賀瑞斯發(fā)明了第一臺(tái)太陽(yáng)能集熱器 1891年，美國(guó)馬里州的肯普發(fā)明了世界上第一臺(tái)悶曬式太陽(yáng)熱水器，被他命名為“頂峰”熱水器,講師： 朱敦智,太陽(yáng)

4、能利用歷史 1936年，美國(guó)天體物理學(xué)家 Charles Greeley Abbott 發(fā)明了太陽(yáng)能開水器 1955年，以色列泰伯等提出選擇性涂層的基礎(chǔ)理論，并研制成實(shí)用的黑鎳等選擇性涂層 1958年，天津大學(xué)建設(shè)12.6平米的太陽(yáng)能浴室 1987年，北太所從加拿大引進(jìn)銅鋁復(fù)合（SUNSTRIP）生產(chǎn)線 1975年，美國(guó)歐文斯-依利諾伊（Owens-Illinois）公司研制全玻璃真空管 1979年，清華大學(xué)發(fā)明多層鋁-氮/鋁(Al-N/Al)選擇性吸收涂層 1994年，北太所研制玻璃金屬熱壓封接的熱管真空管,講師： 朱敦智,太陽(yáng)輻射 (solar radiation) 太陽(yáng)輻射是指太陽(yáng)以電磁

5、波的形式發(fā)射的輻射能。 太陽(yáng)輻射的波長(zhǎng)區(qū)域主要是0.25 m 3.0m（占99%）。 太陽(yáng)的表面溫度約為6000，地球大氣表層接受的能源是其中的22分之一，每秒約為1.761017J，大約40 分鐘照射在地球上的太陽(yáng)能，便足以供全球人類一年。 太陽(yáng)能的不足之處： 1）能量密度低，大氣層外為1367W/m2 2) 有季節(jié)、晝夜和晴雨等能量供應(yīng)不穩(wěn)定性,講師： 朱敦智,地球表面的太陽(yáng)輻射,太陽(yáng)輻射通常由直射輻射和散射輻射兩部分組成。,講師： 朱敦智,太陽(yáng)常數(shù) (solar constant) 大氣層外日地平均距離處的法向直射太陽(yáng)輻照度稱為太陽(yáng)常數(shù)，數(shù)值為1367W/m2。 。 太陽(yáng)光譜 (sola

6、r spectrum) 太陽(yáng)光譜是指太陽(yáng)輻射分解為單色成分后，按波長(zhǎng)順序作出的分布。,講師： 朱敦智,太陽(yáng)光譜,小于0.29m紫外線被大氣層上層臭氧吸收； 水蒸氣在1.0、1.4和1.8m有強(qiáng)烈吸收帶； 大于2.3m的輻射大部分被水蒸氣和二氧化碳吸收,講師： 朱敦智,大氣質(zhì)量,大氣質(zhì)量：太陽(yáng)光線穿過地球大氣的路徑與太陽(yáng)光線在天頂方向時(shí)的路徑之比值。,講師： 朱敦智,直接輻射和和散射輻射,我國(guó)大多數(shù)臺(tái)站只記錄太陽(yáng)總輻射。 根據(jù)太陽(yáng)輻射觀測(cè)資料分析，發(fā)現(xiàn)水平面上散射輻射與太陽(yáng)總輻射日總量月平均值的比值與地平面總輻射與大氣上界的日總量月平均值具有較好的關(guān)聯(lián)關(guān)系。,水平面上散射輻射的日總量月平均值,水

7、平面上總輻射的日總量月平均值,大氣上界總輻射的日總量月平均值,（月平均晴空指數(shù)）,講師： 朱敦智,傾斜面上太陽(yáng)輻射,投射到傾斜面上總輻射輻照度由三部分組成： 1）太陽(yáng)直接輻射輻照度； 2）太陽(yáng)散射輻射輻照度； 3）地面反射輻射輻照度。 達(dá)到傾斜面上總輻射日總量月平均值可表示為。,水平面上散射輻射的日總量月平均值,水平面上總輻射的日總量月平均值,水平面上直接輻射的日總量月平均值,傾斜面與水平面上直接輻射的日總量月平均值的比值，該參數(shù)與 安裝地的緯度、赤緯、傾斜面傾角和方位角有關(guān),S 傾斜表面傾角,地面的反射率。一般取值0.20，有雪覆蓋地面時(shí)取0.70,講師： 朱敦智,太陽(yáng)能資源,講師： 朱敦智

8、,與太陽(yáng)能利用有關(guān)傳熱問題,講師： 朱敦智,傳熱學(xué),傳熱是由于溫差引起的能量轉(zhuǎn)移有溫差就有傳熱 傳熱主要形成 熱傳導(dǎo)：依靠物體質(zhì)點(diǎn)的直接接觸來傳遞能量 對(duì)流換熱：流體(液體或氣體)與另一物體表面相接觸時(shí)，兩者間的換熱過程 輻射換熱：物體的部分熱能轉(zhuǎn)變成電磁波輻射能向外發(fā)射，當(dāng)它碰到其它物體時(shí)，又部分地被后者吸收而重新轉(zhuǎn)變成熱能,講師： 朱敦智,熱傳導(dǎo),熱傳導(dǎo)是不透明固體材料中熱能傳遞的唯一方式 傅里葉（Fourier）熱傳導(dǎo)定律： l，導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)越大，材料的導(dǎo)熱能力越大。各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)均可由試驗(yàn)測(cè)定，通常工程上常把導(dǎo)熱系數(shù)小于0.2W/(mK)的材料稱為絕熱（隔熱）材料。常見隔熱材

9、料有巖棉、玻璃纖維、聚氨酯、橡塑材料等，一般多具有多孔結(jié)構(gòu)。,講師： 朱敦智,熱傳導(dǎo),導(dǎo)熱系數(shù)與材料種類有關(guān)。 對(duì)同一材料來說，還與其結(jié)構(gòu)、密度、成分、濕度、壓力（對(duì)于液體和氣體）和溫度有關(guān)。在一定的溫度范圍大多數(shù)工程材料的熱導(dǎo)率可近似地認(rèn)為是溫度的直線函數(shù)。氣體、建筑材料和隔熱材料，導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大。在工程計(jì)算中，當(dāng)溫度變化范圍不大時(shí)，可以把導(dǎo)熱系數(shù)當(dāng)作常數(shù)。 由于水的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于空氣導(dǎo)熱系數(shù)，對(duì)多孔性材料（如建筑材料、隔熱材料）來說，材料的含水率對(duì)材料導(dǎo)熱系數(shù)影響較大，因此隔熱材料應(yīng)適當(dāng)采取防潮措施。 各向異性材料也隨方向不同而有很大的差異。,講師： 朱敦智,對(duì)流換熱,對(duì)流換熱

10、主要是研究運(yùn)動(dòng)著的流體與同它相接觸的固定表面之間的換熱 根據(jù)引起流動(dòng)的原因，可分為自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流 對(duì)流換熱的牛頓公式： 從對(duì)流傳熱的機(jī)理來說，流體的傳導(dǎo)及質(zhì)量傳輸（流體的質(zhì)點(diǎn)和微團(tuán)的運(yùn)動(dòng)）都起著作用。如果流速很小，則導(dǎo)熱具有一定的影響；若流速很大以及冷、熱流體二間的摻混對(duì)能量傳遞的貢獻(xiàn)很大，則流體本身導(dǎo)熱的作用將很小。,講師： 朱敦智,對(duì)流換熱影響因素,流動(dòng)的起因：分自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。自然對(duì)流傳熱是由流體中因密度不同而產(chǎn)生浮升力所引起的換熱現(xiàn)象；強(qiáng)迫對(duì)流換熱是流體在外界壓差的作用下，流過換熱面； 1）自然對(duì)流： 2）強(qiáng)制對(duì)流:,自然對(duì)流狀況下的換熱強(qiáng)度主要取決于流體的受熱情況，流體內(nèi)部的

11、溫度差越大，對(duì)流運(yùn)動(dòng)越激烈,用格拉曉夫數(shù)Gr數(shù)來表征。 強(qiáng)迫對(duì)流的換熱系數(shù)主要取決于外力所引起的流速的大小，一般用雷諾數(shù)Re數(shù)來表征，雷諾數(shù)大小表征了流動(dòng)狀態(tài)。,講師： 朱敦智,對(duì)流換熱影響因素,流動(dòng)的速度：速度愈大，對(duì)流換熱增強(qiáng) 流動(dòng)有無相變：凝結(jié)和沸騰可顯著增強(qiáng)對(duì)流換熱 換熱面的幾何形狀、大小、冷熱面位置 流體的熱物理性質(zhì),由于影響對(duì)流換熱的因素很多，并具有復(fù)雜關(guān)聯(lián)性，因此只有簡(jiǎn)單對(duì)流換熱有理論解，很難推廣應(yīng)用；（理論解） 分析對(duì)流換熱，一般根據(jù)影響相互關(guān)系，利用無量綱數(shù)，減少變量個(gè)數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)，得到準(zhǔn)則方程；（實(shí)驗(yàn)法） 可利用傳熱學(xué)的基本方程，采用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算換熱過程。（數(shù)值模擬）,

12、講師： 朱敦智,對(duì)流換熱計(jì)算采用量,常見無量綱式有雷諾數(shù)（Re）、普朗特?cái)?shù)（Pr）、格拉曉夫數(shù)（Gr）和怒謝爾特?cái)?shù)（Nu）等。,雷諾數(shù)：反映流體慣性力和粘性力的比值,Nu數(shù)：導(dǎo)熱熱阻與對(duì)流熱阻的比值,Pr數(shù)：由流體物性參數(shù)組成，表征分子動(dòng)量和熱擴(kuò)散系數(shù)之比,Gr數(shù)：流體浮升力與粘性力之比,講師： 朱敦智,太陽(yáng)能利用對(duì)流換熱公式,管道內(nèi)層流流動(dòng) 當(dāng)（ReDPrD/L）10， 許多太陽(yáng)能集熱器中流體的流速很低，由浮力引起的自然對(duì)流也會(huì)影響對(duì)流換熱，這種換熱情況稱為混合對(duì)流。如果Gr/Re2在1與10之間及L/D50,講師： 朱敦智,太陽(yáng)能利用對(duì)流換熱公式,管道內(nèi)的湍流換熱 流體Pr數(shù)值在0.770

13、0之間，并滿足Re6000和L/D60， 一個(gè)大氣壓下空氣通過一個(gè)很長(zhǎng)的風(fēng)道的湍流流動(dòng)，在300K及380K溫度范圍內(nèi) 流體是在螺旋管中流動(dòng)，則按直管中流動(dòng)算得的對(duì)流換熱系統(tǒng)乘以系數(shù)e進(jìn)行修正 （氣體） （液體）,講師： 朱敦智,太陽(yáng)能利用對(duì)流換熱公式,繞掠單管的受迫對(duì)流換熱 真空管在有風(fēng)條件下?lián)Q熱，都屬于繞掠單管的受迫對(duì)流換熱，對(duì)于ReD500下， 一個(gè)大氣壓下空氣通過一個(gè)很長(zhǎng)的風(fēng)道的湍流流動(dòng)，在300K及380K溫度范圍內(nèi) 平板表面的自然對(duì)流換熱：平板集熱器和建筑墻壁 當(dāng)10000GrL109時(shí)，建議用下式,講師： 朱敦智,太陽(yáng)能利用對(duì)流換熱公式,兩塊平行平板之間的自然對(duì)流換熱 對(duì)于30q

14、60,12H/d40及1.3*104GrPr106的情況 兩塊平行平板之間的強(qiáng)制對(duì)流換熱 當(dāng)流體為湍流時(shí)，可以利用下述基于空氣做的實(shí)驗(yàn)得到經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式 卵石床中對(duì)流換熱,講師： 朱敦智,輻射換熱,熱輻射是物體通過電磁波傳遞熱量的現(xiàn)象，其主要特點(diǎn)熱交換不需要物體間直接接觸。 熱輻射是指具有熱效應(yīng)的輻射能，即能被物體吸收，又能轉(zhuǎn)換成熱能。熱輻射所包含波長(zhǎng)范圍主要位于0.350m，即紫外、可見光和紅外三個(gè)波段。 在工業(yè)過程中，物體溫度一般在2000K以下，其輻射能在紅外波段內(nèi)，因此可將熱輻射看成紅外線輻射。,講師： 朱敦智,輻射的吸收、反射和透射,當(dāng)輻射投射到一個(gè)物體（固體、液體或氣體）時(shí)，部分能量被

15、吸收，部分能量被反射或散射，余下的將透過物體，各部分能量與入射輻射能的比值定義為物體的“吸收比”，“反射比”和“透射比” 自然界所有物體的吸收比、反射比和透射比均在0到1范圍內(nèi)，且與輻射波長(zhǎng)、投射方向有關(guān)。 對(duì)于金屬導(dǎo)體而言，熱輻射進(jìn)入表面內(nèi)很短距離（1m數(shù)量級(jí)），對(duì)于大多數(shù)的非導(dǎo)電體材料來說（小于1mm）。因此，工程材料可認(rèn)為其透射比為零。,講師： 朱敦智,物體輻射,任何物體只要溫度高于絕對(duì)零度，都向外發(fā)射輻射能。 根據(jù)斯蒂芬-波爾茨曼定律，黑體的輻射力（輻射出射度）與黑體的絕對(duì)溫度的四次方成正比，且各個(gè)方向的定向輻射強(qiáng)度相等。 實(shí)際物體輻射力并不嚴(yán)格地滿足絕對(duì)溫度的四次方成正比，輻射強(qiáng)度也小于同等溫度時(shí)黑體。我們定義物體“發(fā)射率”或發(fā)射比（也稱“黑度”）為相同溫度下輻射體的輻射力與黑體的輻射力的比值。 “發(fā)射率”表征物體的輻射特性，同一物體的發(fā)射率與溫度和輻射波長(zhǎng)有關(guān)，對(duì)不同方向值也不同。在太陽(yáng)能熱利用中